JP2007180453A

JP2007180453A - ヒートシンク冷却装置

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Publication number: JP2007180453A
Application number: JP2005380312A
Authority: JP
Inventors: Takanari Otsuki; 貴成大槻; Naoto Yamaoka; 直人山岡
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2007-07-12
Also published as: US20070147002A1; US7499280B2; CN1993031A; CN100556263C

Abstract

【課題】被冷却物で発生する熱を効率よくヒートシンクに伝達する。
【解決手段】
ＭＰＵ３で発生した熱は、熱伝導材４を介してヒートシンク１の接合部１３１に伝達される。接合部１３１とＭＰＵ３の表面が形成する間隙には熱伝導材４が介在されている。熱伝導材４は接合面１３１つまり円錐面１３３に密着されており、接合面１３１をＭＰＵ３に対して加圧することによって熱伝導材４のＹ軸方向の圧みは薄くなり、頂点１３２がＭＰＵ３の表面と接触する。接合面１３の面形状を中心部１３１ａを頂点１３２とする円錐面１３３に形成すると、ＭＰＵ３と接合面１３の頂点１３２とが接触することにより間隙が０になる。熱伝導材４が円錐面１３３と接触している面のＭＰＵ表面に対して垂直方向の高さをＡとする。理想的な接合面１３１の形状は、接合面１３１の中心部を頂点とする凸形状であって、Ａの寸法が０μｍから２００μｍの範囲である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＰＵを含む電子部品等の被冷却物を冷却するヒートシンク冷却装置に関するものである。

ＭＰＵ（Micro Processing Unit）は、受け取ったデータに対して演算などの処理を加えて出力結果を得るコンピュータの中枢部分であり、高性能な電子機器に搭載される。近年はＭＰＵの高クロック化が著しく、高クロック化に合わせてＭＰＵ自体の発熱も増大傾向の一途を辿っており、発熱によりＭＰＵが誤動作する可能性があり、ＭＰＵの冷却問題は極めて重要になってきている。そのため、それら高性能な電子機器に搭載されているＭＰＵ等の発熱する電子部品には、金属製で表面積がなるべく広くなるような複数の放熱用フィンで構成されたヒートシンクと、そのヒートシンクに冷却風を供給する冷却ファンとを組み合わせたヒートシンクファンが装着されている。その際、ヒートシンク本体がＭＰＵに接触するように装着され、ヒートシンクは、冷却ファンによって供給される冷却風によって強制的に冷却される。

ヒートシンクとＭＰＵを接触させる際には、ヒートシンクとＭＰＵの間にサーマルテープのような熱伝導材を介在し、ヒートシンク載置面とＭＰＵ表面つまりヒートスプレッダとの接触面積を多くする必要がある。またサーマルテープの厚みは薄ければ薄いほど熱伝導性が高く、冷却効率が高くなる。このため、ヒートシンクとＭＰＵとを接触させる際には、加圧することによりサーマルテープを介してヒートシンクとＭＰＵとを密着させる。特にヒートシンクとＭＰＵを接触させる際にヒートシンクの表面が平面であることが好ましいことが特許文献１に開示されている。

特開２００４−３３６０３１（段落[００８９]）

近年、ＭＰＵの演算処理速度は、速くなる傾向にあり、ＭＰＵに装着されるヒートシンクファンの冷却効率の向上が求められ、ＭＰＵからヒートシンクへの熱伝達効率の向上が必要である。

ところが上記の従来の構成では、ＭＰＵからサーマルテープを介するヒートシンクへの熱抵抗の値にばらつきが発生するという問題がある。この課題を解決するために、以下のような実験を試み、熱抵抗値のばらつきはヒートシンクの載置面における平面度に起因していることが分かった。ヒートシンクの載置面の平面度は通常０．１１ｍｍ（以下、平面度の単位は省略する）以下で管理されている。加工精度を考慮すれば、載置面の平面度を０．０５以下で管理するのは極めて難しいとされる。しかし、載置面が５０μｍ突出した凸形状であるのと、載置面が５０μｍ窪んだ凹形状であるのでは、ＭＰＵからサーマルテープを介するヒートシンクへの熱抵抗の値に大きな差が見られる。例えば、載置面の中心部付近が５０μｍ突出した略円錐形状に形成された場合の熱抵抗は、０．２７５℃／Ｗであるのに対して、載置面の中心部付近が４０μｍ窪んだ擂鉢状に形成された場合の熱抵抗は、０．３３３℃／Ｗである。つまり加工精度の限界とされる平面度０．０５以下で管理した場合でもＭＰＵからサーマルテープを介するヒートシンクへの熱抵抗の値がばらつくということが言える。

載置面の平面度が０．０５以下の平面度０．００５で形成されたヒートシンクでＭＰＵからサーマルテープを介するヒートシンクへの熱抵抗を測定したところ、０．３０２℃／Ｗという値が得られた。この結果より平面度を０に近づけるように管理するよりも、少なくとも載置面が凸形状になるように形成した方がＭＰＵからサーマルテープを介するヒートシンクへの熱抵抗の値を低くすることが可能であるということが言える。

ＭＰＵからサーマルテープを介するヒートシンクへの熱抵抗の値を低減することが必要であり、ＭＰＵからサーマルテープを介するヒートシンクへの熱抵抗を低減するにはヒートシンクの載置面の形状を凸形状にする必要がある。

本発明は、上記のような従来技術に鑑みてなされたものである。すなわち本発明はヒートシンクのＭＰＵ載置面の形状を凸形状とすることによって、ＭＰＵからサーマルテープを介するヒートシンクへの熱抵抗の値の低減を図るものである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のヒートシンク冷却装置では、電子部品等の被冷却物をヒートシンクを用いて冷却するヒートシンク冷却装置であって、前記ヒートシンクは、被冷却物に少なくとも一部が熱伝導材を介して接合するヒートシンク本体と、該ヒートシンク本体に一体に設けられた複数の放熱用フィンと、を備えており、前記熱伝導材は、前記被冷却物で発生した熱を前記ヒートシンク本体に伝達するように、前記被冷却物表面と前記ヒートシンク本体の被冷却物用接合面とで挟圧固定されており、前記接合面は前記ヒートシンク本体に凸形状で形成されており、前記接合面の少なくともほぼ中央部付近に頂点もしくは頂面を有し、前記頂点もしくは頂面から放射方向に向けて傾斜する傾斜面を有することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載のヒートシンク冷却装置では、請求項１に記載のヒートシンク冷却装置であって、前記ヒートシンク本体の前記接合面の凸形状が、前記頂点から放射方向に向けて傾斜する略円錐面もしくは円弧面によって形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載のヒートシンク冷却装置では、請求項１に記載のヒートシンク冷却装置であって、前記ヒートシンク本体の前記接合面の凸形状が、前記頂面から放射方向に向けて傾斜する略円錐面もしくは円弧面によって形成され、前記頂面は前記被冷却物表面と平行な面となっていることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載のヒートシンク冷却装置では、請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置であって、前記被冷却物に少なくとも一部が前記熱伝導材を介して前記ヒートシンク本体の接合面と接合した際に、前記被冷却物表面に対して垂直な方向における前記傾斜面と前記熱伝導材との接触面の高さが２００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載のヒートシンク冷却装置では、請求項１及び２に記載のヒートシンク冷却装置であって、前記ヒートシンク本体の接合面は凸形状で形成されており、前記接合面の少なくともほぼ中心部付近に頂点を有し、前記頂点から放射方向に向けて傾斜する前記傾斜面を有し、前記頂点が被冷却物表面と接触することを特徴とする。

本発明の請求項６に記載のヒートシンク冷却装置では、請求項１乃至５のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置であって、前記ヒートシンク本体には、前記ヒートシンク本体に設けた凹部もしくは貫通孔に熱伝導性の高い材料で形成された被冷却物接合部が嵌合固定されおり、前記接合面は、該接合部材の表面に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項７に記載のヒートシンク冷却装置では、請求項１乃至６のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置であって、前記ヒートシンクの前記接合面の前記凸形状を旋盤による切削加工によって前記凸形状に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項８に記載のヒートシンク冷却装置では、請求項１乃至７のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置であって、前記被冷却物はベース上に設けられ、前記被冷却物表面と前記ヒートシンク本体の被冷却物用接合面とで前記熱伝導材を挟圧固定するように、前記ベースと前記ヒートシンク本体とが、前記頂点もしくは頂面を挟んだ少なくとも２箇所の位置において結合されていることを特徴とする。

本発明の請求項９に記載のヒートシンク冷却装置では、請求項１乃至８のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置であって、前記ヒートシンクの上面には、前記ヒートシンクに冷却風を供給するファンモータが備えられていることを特徴とする。

本発明の請求項１０に記載のヒートシンク冷却装置では、請求項１乃至９のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置であって、前記ヒートシンクと前記ファンモータとを収容するケーシングを備えたことを特徴とする。

本発明にかかるヒートシンクによれば、ＭＰＵから熱伝導材（例えばサーマルテープ）を介してヒートシンクへの熱抵抗の値を低減することが可能である。熱抵抗値の低減によりＭＰＵを効率よく冷却することが可能である。

また、ばらつきが少ない安定した放熱特性を得ることが可能である。

以下、本発明の各実施形態のヒートシンク及びヒートシンクファンについて、図１乃至図１５を参照して説明する。なお、本発明の実施形態に説明では便宜上各図面の上下方向を「上下方向」とするが、実際の取り付け状態における方向を限定するものではない。

（実施形態１）
（１）ヒートシンク及び熱伝導材を介してＭＰＵと接触するヒートシンク冷却装置
図１は本発明にかかる第１の実施形態のヒートシンクを示した平面図である。図２は本発明にかかる第１の実施形態のヒートシンクを示した斜視図である。図３は本発明にかかる第１の実施形態のヒートシンクに接合部を圧入する状態を示したヒートシンクの斜視図である。

ヒートシンク１は、アルミニウム、銅、銅合金等の比較的熱伝導性の高い材料を押出し加工及び引抜き加工による成型等によって形成された放熱部材である。通常、ヒートシンク１は外気との接触面積つまりはヒートシンク１の表面積が大きくなるように複数の放熱用フィン１２が円柱状のヒートシンク本体１１の円柱外側面に一体で形成される。本実施形態においては図２に示されているようにヒートシンク本体１１に対して放射状に延伸する放熱用フィン１２がヒートシンク本体１１の外周に環状に配列されている。特に表面積を大きくするために放熱用フィン１２は配列方向に対して湾曲して形成される。湾曲させることによって放熱フィン１２単体での表面積は増加する。ヒートシンク１の表面積を大きくする放熱フィン１２の形状は、これに限定されず、適宜形状を変更することは可能である。

第１の実施形態においてはヒートシンク本体１１及び放熱用フィン１２はアルミニウムによって形成され、図３に示されているようにヒートシンク本体１１の中心つまり円柱の底面側中心部付近に貫通孔１１１が形成される。前記貫通孔にはアルミニウムよりも熱伝導性が高い銅によって形成された接合部１３が嵌合固定されている。接合部１３を前記貫通孔１１１に挿入する際に接合部１３の側面と貫通孔１１１との間の接触面に発生する接触熱抵抗の値を低くするために、接触圧力が高くなるように圧入固定されている。これにより、ＭＰＵ３から接合部１３に伝達された熱が効率よくヒートシンク本体１１に伝達され放熱フィン１２から外気に放熱される。貫通孔１１１ではなく、凹部を形成して接合部１３を圧入固定しても良い。

第１の実施形態においては、接合部１３をヒートシンク本体１１に形成された貫通孔１１１に圧入固定する構成であるが、加工工数及び冷却効率を考慮して接合部１３をヒートシンク本体１１と一体で形成しても良い。

一般的に、アルミニウム製の材料を使用した押出し加工及び引抜き加工は成型に使用する金型の構造が単純であり、仕上がりの寸法精度が高い。銅製材料では複雑な形状の押出し加工及び引抜き加工による成型が非常に難しく、仕上がりの寸法精度が極めて悪い。事実上、銅製の複雑な形状のヒートシンクを押出し加工及び引抜き加工による成型によって形成するのは不可能である。このため、放熱用フィン１２が一体形成されている複雑なヒートシンク１においては、銅製材料ではなくアルミニウム製材料が使用される。

接合部１３は、ＭＰＵ３が載置されているマザーボード３１とヒートシンク１とを固定する取付部１４と、ＭＰＵ３と接合される接合面１３１と、が構成されている。本実施形態においては、取付部１４は接合部１３に固定されているが、取付部１４を固定する場所はヒートシンク本体１１でも良く、限定されない。または取付部１４は別体で構成しても良い。接合面１３１はＭＰＵと熱伝導材４を介して接合されている。

熱伝導材４は熱伝達性が高い材料が用いられる。本実施形態においては作業性を考慮してポリイミドフィルム（ＰｏｌｙｉｍｉｄｅＦｉｌｍ）、ファイバグラスマット（ＦｉｂｅｒｇｌａｓＭａｔ）、アルミニウム箔等の支持基材上に充填剤が含まれる感圧接着剤を塗布してコーティングしたサーマルテープ等のテープ状の部材を使用する。熱伝導材４はＭＰＵ３表面とヒートシンク１の接合面１３１との接触面積が高い方が良いため、シリコーンオイルを基油としてアルミナ等の熱伝導性の高い粉末を配合したグリース状の熱伝導性シリコーン樹脂等を使用しても良い。熱伝導性シリコーン樹脂はグリース状であるため、ほぼ隙間が無い状態で各部材表面と密着させることが可能である。熱伝導材４は熱伝導性が高い部材であれば、適宜変更可能である。

ＭＰＵ３で発生した熱は、熱伝導材４を介してヒートシンク１の接合部１３１に伝達される。この伝達過程において、熱抵抗の値を低減することによって大幅に放熱効率を向上することが可能である。ここで重要になるのがＭＰＵ３と熱伝導材４、熱伝導材４と接合面１３１の間に発生する接触熱抵抗の値である。接触熱抵抗の値は、接触圧力、接触面積、接触面の表面粗さ、各材料の熱伝導率、熱伝導材４の熱伝導率、熱伝導材４の厚み、各材料表面の硬度に依存して決定される。ＭＰＵ３の表面は一般にヒートスプレッダという熱伝導性の高い銅板にて構成されている。このため、ＭＰＵ３側の接触面積、接触面の表面粗さ、材料（銅板）の熱伝導率、材料（銅板）の硬度は一定の値として接触熱抵抗の値を低減する方法を提案する必要がある。また、ヒートシンク１の接合面１３１は前述のとおり銅を使用しているため、接触面の表面粗さ、材料（銅）の熱伝導率、材料（銅）の硬度は一定の値として接触熱抵抗の値を低減する方法を提案する必要がある。接触圧力を増すことによって接触熱抵抗の値が低くなることは周知技術である。このため、以下では接合面１３１の形状を変更することによって、熱伝導材４の厚みを変更させ、接触熱抵抗の値を低減する方法について詳述する。

図４は、ヒートシンク本体に圧入される接合部の中心部を通る任意の断面を示した斜視図である。図５乃至図１１は図４に示した接合部断面のＸ−Ｙに対する断面曲線を示すグラフである。ヒートシンク本体１１に圧入固定される銅製の接合部１３の接合面１３１は図４に示されるように円形の面を形成している。接合面１３１の円形面の中央部を通るように接合面１３１に垂直に切断した任意の断面において、前記中央部を通る接合面１３１上の直線をＸ軸とし、接合面１３１に垂直な方向で中央部１３１ａを通る直線をＹ軸とする。接合面１３１の平面度が０の場合にＹの座標が０μｍとなるように接合面１３１の断面曲線を図５に示した。図５に示されているように、接合面１３１は中央部１３１ａが６０μｍとなる凸形状になっている。また中央部を頂点１３２（Ｙ軸において最上の点）とし頂点１３２から放射方向に向けて傾斜する傾斜面が形成されている。図５に示される断面曲線は接合面１３１の中央部１３１ａを通る任意の断面の接合面１３１部であるため、傾斜面は中央部１３１ａを中心とするＹ軸回りの対称形状である円錐面１３３として形成される。

図１２は接合面１３１とＭＰＵ３の表面とが熱伝導材４を介して接合されている状態の詳細を示す断面図である。尚、図１２では接合面の断面が凸形状であることを強調するために接合面付近のみ上下方向の寸法を拡大して表示している。図１２に示されているように接合部１３１とＭＰＵ３の表面が形成する間隙には熱伝導材４が介在されている。熱伝導材４と接合面１３１、熱伝導材４とＭＰＵ３の表面、それぞれの間には空気が介在されないように熱伝導材４はそれぞれの表面に密着されている。熱伝導材４は接合面１３１つまり円錐面１３３に密着されており、接合面１３１をＭＰＵ３に対して加圧することによって熱伝導材４のＹ軸方向の厚みは薄くなり、頂点１３２がＭＰＵ３の表面と接触する。ただし、加圧する圧力のバラツキにより頂点１３２とＭＰＵ３の表面とが接触しない場合もある。

ＭＰＵ３は中心部が最も発熱量が高く、中心部で発生する熱を効率よく放熱することによってＭＰＵ３全体の放熱効率を高くすることができる。本発明においては、接合面１３１の中心部の頂点１３２が突出しているため、ＭＰＵ３表面の中心部と接合面１３１の頂点が形成する間隙が狭くなり、場合によっては接触し、接触熱抵抗を低減することが可能である。

図１３はヒートシンク１をマザーボード３１に結合させた際のＭＰＵ表面形状の変化を示した平面図である。接合面１３１の凸形状及びＭＰＵ３とマザーボード３１の湾曲を強調する為に上下方向の寸法を変更して示しております。接合部１３に取り付けられた取付部１４によってヒートシンク１はマザーボード３１に取り付けられ、接合面１３１は、熱伝導材４を介してヒートシンク１に加圧される。取付部１４は図２に示されているように接合面１３１の外方に接合面１３１を挟んでほぼ等間隔に4箇所備えられている。各取付部１４によって熱伝導材４が接合面１３１とＭＰＵ３によって狭圧されるようにヒートシンク１とマザーボード３１が結合される。これにより、図１３（Ｂ）に示されているように接合面１３１ここでは頂点１３２を支点としてＭＰＵ３の表面にモーメントが発生し、図１３（Ａ）に示されているように接合面１３１を支点としてマザーボード３１に固定されているＭＰＵ３の表面は擂鉢状に湾曲する。従来形状の平面度が０に近いフラットな接合面１３を有するヒートシンクの場合では、ＭＰＵ３の中心部と接合部１３の中心部１３１との間隙が大きくなり、結果的に熱伝導材４の厚みが大きくなる。これにより接合面１３とＭＰＵ３との接触熱抵抗の値が大きくなり、ＭＰＵ３からヒートシンク１への熱伝達効率の低下につながる。しかし、接合面１３の面形状を中心部１３１ａを頂点１３２とする円錐面１３３に形成すると、ＭＰＵ３と接合面１３の頂点１３２とが接触することにより間隙が０になる。また湾曲したＭＰＵ３の表面と円錐面１３３とが近接することにより、熱伝導材４の厚みを全体的に薄くすることが可能である。擂鉢状の湾曲面と円錐面１３３とが対向するように円錐面１３３の形状を決定すれば、熱伝導材４の厚みをほぼ一様に薄くすることが可能である。熱伝導材４が円錐面１３３と接触している面のＭＰＵ表面に対して垂直方向の高さをＡとしたとき、Ａの高さを変更することによって円錐面１３３の頂点の高さを変更することができ、円錐面１３３の形状を変更することができる。

図１４は横軸をＭＰＵ３からヒートシンク１に伝達する熱抵抗の値、縦軸を図１２に示されているＡの寸法としたグラフである。このとき、Ａの値がマイナスを示しているのは接合面１３１が窪んだ凹部になっている場合である。図１２に示されているとおり、接合面１３１がフラットな状態つまりは縦軸が０μｍを付近のときの熱抵抗の値は０．３００℃／Ｗを示しているのに対し、接合面１３１が凹部に形成された状態つまりは縦軸が−６０μｍから−３０μｍ付近においては熱抵抗の値が０．３１９℃／Ｗから０．３５０℃／Ｗである。これは接合面１３１がフラットな状態よりも窪んだ凹部の状態の方が、熱伝達効率が低いということを示す。上述のとおり接合面１３１が窪んだ凹部形状の場合、ＭＰＵ３の中心部付近の熱伝導材４の厚みが厚くなり、接触熱抵抗の値が大きくなるためである。

接合面１３１の形状をフラットな状態から凸形状にするとＡの寸法が３０μｍのときには熱抵抗の値が０．２８２℃／Ｗとなり、Ａの寸法が６０μｍのときには熱抵抗の値が０．２７１℃／Ｗとなる。更にＡの寸法を大きくすると１００μｍのときには、熱抵抗の値が０．２８０℃／Ｗとなり、Ａの寸法が１５０μｍのときには、熱抵抗の値が０．２９０℃／Ｗとなる。更にＡの寸法が２００μｍのときには、熱抵抗の値が０．３０℃／Ｗとなり、接合面１３１の形状がフラットな状態とほぼ同等な熱抵抗の値になる。つまりＡの寸法が２００μｍ以上のときには、接合面１３１の形状が窪んだ凹部形状になる場合と同等に熱抵抗の値が増加するということである。これにより、理想的な接合面１３１の形状は、接合面１３１の中心部を頂点とする凸形状であって、Ａの寸法が０μｍから２００μｍの範囲であるということがいえる。

接合面１３１の形状に関しては、図５に示す頂点１３２から放射方向に向けて傾斜する円錐面１３３を形成する凸形状に限定されず、図６乃至図１１に示すような接合面１３１形状でも良い。図６では、接合面１３１は中心部１３１ａに頂点１３２を有し、頂点１３２から放射方向に向けて傾斜する略円弧状傾斜面１３３ａが形成されている。図７では、接合面１３１は中心部１３１ａに頂点１３２を有し、頂点１３２から放射方向に向けて傾斜する略球状傾斜面１３３ｂが形成されている。図８では、接合面１３１は中心部１３１ａに頂点１３２を有し、頂点１３２から放射方向に向けて傾斜する円錐面１３３が形成されており、頂点１３２はＲ形状に形成されている。図９では、接合面１３１が、ほぼＭＰＵ３表面と平行になるような頂面１３２ａを有し、頂面１３２ａの外周部から放射方向に向けて傾斜する円錐面１３３が形成されている。ここで頂面１３２ａとは、頂点１３２を点ではなく面として形成された部位を指す。マクロ的には頂面１３２はフラットな面であるが、ミクロ的には頂面１３２ａはフラットではなく凹凸が存在し、その少なくとも１つの凸部が頂点となる。図１０では、接合面１３１が、ほぼＭＰＵ３表面と平行になるような頂面１３２ａを有し、頂面１３２ａの外周部から放射方向に向けて傾斜する略円弧状傾斜面１３３ａが形成されている。図１１では、接合面１３１が、ほぼＭＰＵ３表面と平行になるような頂面１３２ａを有し、頂面１３２ａの外周部から放射方向に向けて傾斜する円錐面１３３が形成されており、頂面１３２ａの外周部にＲが形成されている。代表的な接合面１３１形状を紹介したが、この形状に限らず、接合面１３１の形状は、接合面１３１の中心部１３１ａに頂点１３２もしくは頂面１３２ａを有し、放射方向に向けて傾斜する傾斜面が形成される凸形状であれば、どのような形状でも適宜変更可能である。

上記で示した傾斜面は、旋盤にて加工される。近年ではＮＣ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）旋盤が主流である。これは数値制御装置を旋盤に取り付けバイトが設置される台の移動距離及び送り速度を数値で指示できるようにしたものである。特に最近では、数値制御装置をコンピュータで行うＣＮＣ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）を用いているものが大半であり、接合面１３１の形状を容易に形成することが可能である。

（２）ヒートシンクにファンモータを取り付けて強制冷却するヒートシンク冷却装置
図１５は（１）で説明したヒートシンク１冷却装置の上部に冷却用ファンモータを取り付けたヒートシンク冷却装置を示す斜視図である。

冷却ファン５は、回転することによって冷却風を発生するインペラ５２と、インペラ５２を回転駆動させる電動モータ（図略）と、インペラ５２が回転することにより発生する冷却風を静圧エネルギに変換する風洞部５１１と、電動モータを固定するベース部５１と、ベース部５１と風洞部５１１とを連結接続する少なくとも３本以上のスポーク部５１２を備えている。

冷却ファン５は、図１５に示されているようにヒートシンク本体１１の中心軸と冷却ファン５のインペラ５２の回転軸とがほぼ一致するようにヒートシンク１の上側に載置される。ＭＰＵ３で発生した熱は、熱伝導材４を介してヒートシンク本体１１から放熱フィン１２へと伝達される。冷却ファン５が回転することによって図１５において上方向から下方向に向けて冷却風が供給される。放熱フィン１２はインペラ５２の回転方向と同一の方向に配列されている。このため、冷却風は各放熱フィン１２間に効率よく流入され、放熱フィン１２に伝達された熱は強制的に放熱される。（１）で説明したヒートシンク１冷却装置と冷却ファン５を組み合わせることによって、ヒートシンク１冷却装置の冷却特性がより高まる。

（実施形態２）
（１）ヒートシンク及び熱伝導材を介してＭＰＵと接触するヒートシンク冷却装置
図１６は本発明にかかる第２の実施形態のヒートシンクを示した平面図である。図１７は本発明にかかる第２の実施形態のヒートシンクを示した斜視図である。図１６乃至図１７において、図１乃至図８と同一符号のものは同一もしくはそれに相当する部位を示すものとする。

ヒートシンク１Ａは、アルミニウム、銅、銅合金等の比較的熱伝導性の高い材料を押出し加工及び引抜き加工による成型等によって形成された放熱部材である。通常、ヒートシンク１Ａは外気との接触面積つまりはヒートシンク１Ａの表面積が大きくなるように複数の放熱用フィン１２Ａがベース状のヒートシンク本体１１Ａの上面に一体で形成される。本実施形態においては図１６に示されているようにヒートシンク本体１１Ａの上面側にほぼ等間隔に放熱用フィン１２Ａが配列されている。また表面積をさらに増加させるためにヒートシンク本体１１Ａの側面及び底面にも放熱フィン１２Ａが形成されている。

第２の実施形態においてはヒートシンク本体１１Ａ及び放熱用フィン１２はアルミニウムによって形成され、第１の実施形態と同様にヒートシンク本体１１Ａに凹部（第１の実施形態においては貫通孔１１１）を形成し、前記凹部にはアルミニウムよりも熱伝導性が高い銅によって形成された接合部１３が嵌合固定されている。接合部１３を凹部に挿入する際に接合部１３の側面と凹部との間の接触面に発生する接触熱抵抗の値を低くするために、接触圧力が高くなるように圧入固定されている。これにより、ＭＰＵ３から接合部１３に伝達された熱が効率よくヒートシンク本体１１Ａに伝達され放熱フィン１２Ａから外気に放熱される。

第２の実施形態においては、接合部１３をヒートシンク本体１１Ａに形成された凹部に圧入固定する構成であるが、加工工数及び冷却効率を考慮して接合部１３をヒートシンク本体１１Ａと一体で形成しても良い。

一般的に、アルミニウム製の材料を使用した押出し加工及び引抜き加工は成型に使用する金型の構造が単純であり、仕上がりの寸法精度が高い。銅製材料では複雑な形状の押出し加工及び引抜き加工による成型が非常に難しく、仕上がりの寸法精度が極めて悪い。事実上、銅製の複雑な形状のヒートシンク１Ａを押出し加工及び引抜き加工による成型によって形成するのは不可能である。このため、放熱用フィン１２Ａが一体形成されている複雑なヒートシンク１Ａにおいては、銅製材料ではなくアルミニウム製材料が使用される。

接合部１３には、ＭＰＵ３と接合される接合面１３１が構成されている。本実施形態においては、接合面１３１はＭＰＵと熱伝導材４を介して接合されている。

熱伝導材４は熱伝達性が高い材料が用いられる。本実施形態においては作業性を考慮してポリイミドフィルム、ファイバグラスマット、アルミニウム箔等の支持基材上に充填剤が含まれる感圧接着剤を塗布してコーティングしたサーマルテープ等のテープ状の部材を使用する。熱伝導材４はＭＰＵ３表面とヒートシンク１の接合面１３１との接触面積が高い方が良いため、シリコーンオイルを基油としてアルミナ等の熱伝導性の高い粉末を配合したグリース状の熱伝導性シリコーン樹脂等を使用しても良い。熱伝導性シリコーン樹脂はグリース状であるため、ほぼ隙間が無い状態で各部材表面と密着させることが可能である。熱伝導材４は熱伝導性が高い部材であれば、適宜変更可能である。

ＭＰＵ３で発生した熱は、熱伝導材４を介してヒートシンク１Ａの接合部１３１に伝達される。この伝達過程において、熱抵抗の値を低減することによって大幅に放熱効率を向上することが可能である。ここで重要になるのがＭＰＵ３と熱伝導材４、熱伝導材４と接合面１３１の間に発生する接触熱抵抗の値である。接触熱抵抗の値は、接触圧力、接触面積、接触面の表面粗さ、各材料の熱伝導率、熱伝導材４の熱伝導率、熱伝導材４の厚み、各材料表面の硬度に依存して決定される。ＭＰＵ３の表面は一般にヒートスプレッダという熱伝導性の高い銅板にて構成されている。このため、ＭＰＵ３側の接触面積、接触面の表面粗さ、材料（銅板）の熱伝導率、材料（銅板）の硬度は一定の値として接触熱抵抗の値を低減する方法を提案する必要がある。また、ヒートシンク１Ａの接合面１３１は前述のとおり銅を使用しているため、接触面の表面粗さ、材料（銅）の熱伝導率、材料（銅）の硬度は一定の値として接触熱抵抗の値を低減する方法を提案する必要がある。接触圧力を増すことによって接触熱抵抗の値が低くなることは周知技術である。このため、以下では接合面１３１の形状を変更することによって、熱伝導材４の厚みを変更させ、接触熱抵抗の値を低減する方法について詳述する。

ヒートシンク本体１１Ａに圧入固定される銅製の接合部１３の接合面１３１は図４に示されるように円形の面を形成している。接合面１３１の円形面の中央部を通るように接合面１３１に垂直に切断した任意の断面において、前記中央部を通る接合面１３１上の直線をＸ軸とし、接合面１３１に垂直な方向で中央部１３１ａを通る直線をＹ軸とする。接合面１３１の平面度が０の場合にＹの座標が０μｍとなるように接合面１３１の断面曲線を図５に示した。図５に示されているように、接合面１３１は中央部１３１ａが６０μｍとなる凸形状になっている。また中央部を頂点１３２（Ｙ軸において最上の点）とし頂点１３２から放射方向に向けて傾斜する傾斜面が形成されている。図５に示される断面曲線は接合面１３１の中央部１３１ａを通る任意の断面の接合面１３１部であるため、傾斜面は中央部１３１ａを中心とするＹ軸回りの対称形状である円錐面１３３として形成される。

ヒートシンク１Ａは、別体で構成されるヒートシンク１Ａをマザーボード３１に取り付ける取付部材によってマザーボード３１に取り付けられる。接合面１３１は、図１２に示されているように熱伝導材４を介してヒートシンク１に加圧される。取付部材は接合面１３１の外方に接合面１３１を挟んでほぼ等間隔に少なくとも２箇所以上備えられている。各取付部材によって熱伝導材４が接合面１３１とＭＰＵ３によって狭圧されるようにヒートシンク１とマザーボード３１が結合される。これにより、接合面１３１ここでは頂点１３２を支点としてＭＰＵ３の表面にモーメントが発生し、図１３（Ａ）に示されているように接合面１３１を支点としてマザーボード３１に固定されているＭＰＵ３の表面は擂鉢状に湾曲する。従来形状の平面度が０に近いフラットな接合面１３を有するヒートシンクの場合では、ＭＰＵ３の中心部と接合部１３の中心部１３１との間隙が大きくなり、結果的に熱伝導材４の厚みが大きくなる。これにより接合面１３とＭＰＵ３との接触熱抵抗の値が大きくなり、ＭＰＵ３からヒートシンク１への熱伝達効率の低下につながる。しかし、接合面１３の面形状を中心部１３１ａを頂点１３２とする円錐面１３３に形成すると、ＭＰＵ３と接合面１３の頂点１３２とが接触することにより間隙が０になる。また湾曲したＭＰＵ３の表面と円錐面１３３とが近接することにより、熱伝導材４の厚みを全体的に薄くすることが可能である。擂鉢状の湾曲面と円錐面１３３とが対向するように円錐面１３３の形状を決定すれば、熱伝導材４の厚みをほぼ一様に薄くすることが可能である。熱伝導材４が円錐面１３３と接触している面のＭＰＵ表面に対して垂直方向の高さをＡとしたとき、Ａの高さを変更することによって円錐面１３３の頂点の高さを変更することができ、円錐面１３３の形状を変更することができる。

図１４は横軸をＭＰＵ３からヒートシンク１Ａに伝達する熱抵抗の値、縦軸を図１２に示されているＡの寸法としたグラフである。このとき、Ａの値がマイナスを示しているのは接合面１３１が窪んだ凹部になっている場合である。図１２に示されているとおり、接合面１３１がフラットな状態つまりは縦軸が０μｍを付近のときの熱抵抗の値は０．３００℃／Ｗを示しているのに対し、接合面１３１が凹部に形成された状態つまりは縦軸が−６０μｍから−３０μｍ付近においては熱抵抗の値が０．３１９℃／Ｗから０．３５０℃／Ｗである。これは接合面１３１がフラットな状態よりも窪んだ凹部の状態の方が、熱伝達効率が低いということを示す。上述のとおり接合面１３１が窪んだ凹部形状の場合、ＭＰＵ３の中心部付近の熱伝導材４の厚みが厚くなり、接触熱抵抗の値が大きくなるためである。

上記で示した傾斜面は、旋盤にて加工される。近年ではＮＣ旋盤が主流である。これは数値制御装置を旋盤に取り付けバイトが設置される台の移動距離及び送り速度を数値で指示できるようにしたものである。特に最近では、数値制御装置をコンピュータで行うＣＮＣを用いているものが大半であり、接合面１３１の形状を容易に形成することが可能である。

（２）ヒートシンクにファンモータを取り付けて強制冷却するヒートシンク冷却装置
図１８は（１）で説明したヒートシンク１Ａ冷却装置の上部に冷却用ファンモータを取り付けたヒートシンク１Ａ冷却装置を示す斜視図である。

冷却ファン５Ａは、回転することによって冷却風を発生するインペラ５２Ａと、インペラ５２Ａを回転駆動させる電動モータ（図略）と、インペラ５２Ａが回転することにより発生する冷却風を静圧エネルギに変換する風洞部５１１Ａと、電動モータを固定するベース部５１Ａと、ベース部５１Ａと風洞部５１１Ａとを連結接続する少なくとも３本以上のスポーク部５１２Ａを備えている。風洞部５１１Ａの外側面は略四角形が形成されており、略四角形の四隅には冷却ファン５Ａを筐体に取り付ける取付穴が構成されている。

冷却ファン５Ａは、図１８に示されているように接合面１３１と垂直な方向から各放熱フィン１２Ａ間に冷却風が供給されるように取り付けられる。冷却ファン５Ａは、ヒートシンク１Ａと冷却ファン５Ａとを収容するケーシング６によってヒートシンク１Ａに冷却風が供給されるように位置決めされる。ケーシング６内部には図１８に示されるようにヒートシンク１Ａと冷却ファン５Ａとが固定される。冷却ファン５Ａは冷却風を放熱フィン１２に供給する方向に取り付けられる。またケーシング６には外部から冷却ファンが吸気できるように開口６１が設けられる。ケーシング６は開口６１と対向する方向にも同様に開口が設けられ、前記開口から各放熱フィン１２Ａの間を通過した冷却風がケーシング６外部へ排出される。ケーシング６にはマザーボード３１に取り付けることができる取付部６２が形成されており、取付部６２をマザーボードに結合させることによって接合面１３１とＭＰＵ３の間に熱伝導材４を狭圧することができる。（１）で説明したヒートシンク１冷却装置と冷却ファン５を組み合わせることによって、ヒートシンク１冷却装置の冷却特性がより高まる。

（その他の実施形態）
以上のように実施形態について説明したが、ヒートシンク本体及び放熱フィンの構成、ヒートシンクとファンとの組合せに関しては上記で説明した構成に限定されず、状況に応じて適宜その他の形状への変更は可能である。

本発明の第１の実施形態を示す平面図である。本発明の第１の実施形態を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態の接合部圧入を示す詳細斜視図である。本発明の実施形態を示す接合部を示す斜視図である。本発明の実施形態を示す接合面の断面曲線図である。本発明の実施形態を示す接合面のその他の変形例を示す断面曲線図である。本発明の実施形態を示す接合面のその他の変形例を示す断面曲線図である。本発明の実施形態を示す接合面のその他の変形例を示す断面曲線図である。本発明の実施形態を示す接合面のその他の変形例を示す断面曲線図である。本発明の実施形態を示す接合面のその他の変形例を示す断面曲線図である。本発明の実施形態を示す接合面のその他の変形例を示す断面曲線図である。本発明の実施形態を示す接合面とＭＰＵとの接触を示す断面図である。本発明の実施形態を示す接合面とＭＰＵとの接触を示す断面図である。本発明の接合面形状を変形した場合の熱抵抗の比較グラフである。本発明の第１の実施形態を示す斜視図（ヒートシンクファン）である。本発明の第2の実施形態を示す平面図である。本発明の第2の実施形態を示す斜視図である。本発明の第2の実施形態を示す斜視図（ヒートシンクファン）である。

符号の説明

１ヒートシンク
１１ヒートシンク本体
１１１貫通孔
１２放熱フィン
１３接合部
１３１接合面
１３２頂点
１３３円錐面
１４取付部
３ＭＰＵ
４熱伝導材
５冷却ファン
６ケーシング

Claims

電子部品等の被冷却物をヒートシンクを用いて冷却するヒートシンク冷却装置であって、
前記ヒートシンクは、被冷却物に少なくとも一部が熱伝導材を介して接合するヒートシンク本体と、該ヒートシンク本体に一体に設けられた複数の放熱用フィンと、を備えており、
前記熱伝導材は、前記被冷却物で発生した熱を前記ヒートシンク本体に伝達するように、前記被冷却物表面と前記ヒートシンク本体の被冷却物用接合面とで挟圧固定されており、
前記接合面は前記ヒートシンク本体に凸形状で形成されており、前記接合面の少なくともほぼ中央部付近に頂点もしくは頂面を有し、前記頂点もしくは頂面から放射方向に向けて傾斜する傾斜面を有することを特徴とするヒートシンク冷却装置。
前記ヒートシンク本体の前記接合面の凸形状が、前記頂点から放射方向に向けて傾斜する略円錐面もしくは円弧面によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク冷却装置。
前記ヒートシンク本体の前記接合面の凸形状が、前記頂面から放射方向に向けて傾斜する略円錐面もしくは円弧面によって形成され、前記頂面は前記被冷却物表面と平行な面となっていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク冷却装置。
前記被冷却物に少なくとも一部が前記熱伝導材を介して前記ヒートシンク本体の接合面と接合した際に、前記被冷却物表面に対して垂直な方向における前記傾斜面と前記熱伝導材との接触面の高さが２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置。
前記ヒートシンク本体の接合面は凸形状で形成されており、前記接合面の少なくともほぼ中心部付近に頂点を有し、前記頂点から放射方向に向けて傾斜する前記傾斜面を有し、
前記頂点が被冷却物表面と接触することを特徴とする請求項１及び２に記載のヒートシンク冷却装置。
前記ヒートシンク本体には、前記ヒートシンク本体に設けた凹部もしくは貫通孔に熱伝導性の高い材料で形成された被冷却物接合部が嵌合固定されおり、前記接合面は、該接合部材の表面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置。
前記ヒートシンクの前記接合面の前記凸形状を旋盤による切削加工によって前記凸形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置。
前記被冷却物はベース上に設けられ、前記被冷却物表面と前記ヒートシンク本体の被冷却物用接合面とで前記熱伝導材を挟圧固定するように、前記ベースと前記ヒートシンク本体とが、前記頂点もしくは頂面を挟んだ少なくとも２箇所の位置において結合されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置。
前記ヒートシンクの上面には、前記ヒートシンクに冷却風を供給するファンモータが備えられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のヒートシンク冷却装置。
前記ヒートシンクと前記ファンモータとを収容するケーシングを備えたことを特徴とする請求項９に記載のヒートシンク冷却装置。